中国企业新闻观察网
版权声明:

本网原创文章转载请注明来源,如本网转载稿涉及版权等问题请来电或来函!

2015 国际光年:盘点诺贝尔奖里的光学

2015-12-02 22:20来源:中国企业新闻观察网作者:chinaenwc点击:

打印转发

  编者导读

  2015年,距阿拉伯学者伊本·海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来,光技术带给人类文明巨大的进步。为此,联合国宣布2015年为“光和光基技术国际年”(简称国际光年),以纪念千年来人类在光领域的重大发现。

  中科院上海光机所与中国科普博览网站合作,讲述了几个诺贝尔奖中光学研究重大突破的故事,以及它们给人类社会带来的改变。

  2014年诺贝尔物理学奖

  蓝光LED——开启“新光明”

  2014年诺贝尔物理学奖的奖杯由赤崎勇、天野浩与中村修二共举,照亮奖杯的,是他们发明的蓝光LED。

  诺贝尔物理学奖贴着“高冷”的标签,蓝光LED却好像和这神秘的高冷气质没什么关系。真相只有一个——蓝光LED推动了整个LED照明产业迈向实用化。

  LED照明需要红绿蓝三原色汇聚成白光。红光LED和绿光LED早在上世纪六七十年代相继诞生,蓝光LED的研发却卡壳了。敲碎这层壳的正是赤崎勇和天野浩师徒,他们首次突破瓶颈发明蓝光LED。随后,中村修二研发出生产高效蓝光LED的技术,三原色集合完毕,真正开启了“新光明”时代。

  LED照明究竟意味着什么呢?我们可以这样算一笔数据账,全球每年总消耗电量约200000亿千瓦时,其中19%用于照明。若将所有照明灯具更换为LED节能灯,那么每年全球至少节约用电15200亿千瓦时。这些节约的电量相当于全年减少用煤至少5亿吨,减少二氧化碳排放13亿吨,减少二氧化硫排放420万吨。

  蓝光LED用20年实现了LED照明的华丽转身,如今更是用途广泛,用手机聊天、用电脑工作、用电视消遣,都有蓝光大显身手。白炽灯点亮了20世纪,21世纪将由LED灯点亮。

  2009年诺贝尔物理学奖

  光纤——通信新时代

  数百年来,科学家们长期致力于研究如何更快更远更好地传递信息。从电报到有线电话,再到电缆的普遍使用,科技的进步让我们足不出户而知天下事。

  20世纪60年代,华裔科学家高琨提出用光代替电流,用玻璃纤维代替导线的设想,并在1966年发表了划时代论文《为光波传递设置的介电纤维表面波导管》,理论分析了这一“天方夜谭”的可行性。1970年,美国康宁公司研制出损耗为20dB/km的光纤,使光在光纤中进行远距离传输成为可能,光纤通信新纪元自此拉开序幕,“光纤之父”高琨也因此站上了2009年的诺贝尔物理学奖奖台。

  “光纤”全称“光导纤维”,由石英、玻璃等透明的光学材料拉制而成,是用于传输光的圆柱形光波导。其典型结构由纤芯和包层组成,当光从一端射入,其与轴线的夹角小于某一值时,由于纤芯折射率高,包层折射率相对较低,便会在纤芯和包层界面处发生全反射,从而光可以在纤芯中曲折前进而不穿出包层。此时若我们把信息加到光上,它便与光一起传输到另一端,实现了信息的传递。

  我们可以比较两组数据:第一,现阶段光纤通信可实现同时传输24万路的信号,其容量比微波通信增加一千倍;第二,在确保通信质量的前提下,普通电缆或微波通信的中继距离为1.5至60公里,而现阶段光纤可实现2000至5000公里的无中继传输。

  1971年诺贝尔物理学奖

  全息术——亦真亦幻

  电影《阿凡达》中的3D沙盘让潘多拉星球的地形地貌一览无余,真是酷炫到没有朋友!但这种技术其实离我们并不遥远,丹尼斯·盖博教授在1947年发明的全息术就已经将这种魔法照进了现实,他也因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

  相比于传统摄影技术,全息技术创造性地记录了物体上各点的空间位置,一举突破了二维的局限,这样人们通过全息图就能够看到逼真的三维物体像了。

  制作全息图时,需要两束激光,一束激光照射在物体上,经物体表面反射而成,另一束激光为参考光。与水波接触相类似的是,它们在空间相遇时也会发生叠加,形成明亮和黑暗相间的条纹,而物体上各点的位置信息就编码在这些条纹中。

  将全息底板放置在两束光相遇的位置,捕捉这些条纹。再把拍好后的全息底板经过一系列的处理,我们就完成了全息图的记录。

  借助激光器产生的参考光照射全息图,便可以再次创造出物光,仿佛全息图中真的弹出了物体的三维像一般。

  想象着在不远的将来,随着全息技术的不断发展,电影能够摆脱荧幕和3D眼镜的束缚,在空中上演;建筑师们能够在拟真建筑里随意走动,客户也能同步地观看解说;千里之外的医生可以检查病患的身体状况。相信那一天并不遥远!

  1908年诺贝尔物理学奖 干涉彩色摄影——记录色彩缤纷

  1908年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家加布里埃尔·李普曼,他发明的干涉彩色摄影技术让照片完美再现色彩,引起了巨大轰动。

  当时的相机使用胶片记录灰度影像,原理很简单,胶片含有一种炫酷的感光物质——卤化银,它遇光发生化学反应,变成黑色的银颗粒。光越强,银颗粒越多,就这样记录了投射在胶片上的影像。

  世界色彩缤纷,人们怎能甘心只记录黑白?当时大多数人选择使用彩色玻璃或者彩色颗粒为相片附加颜色,但获得的照片不是缺少细节就是颜色失真,效果不甚理想。而加布里埃尔·李普曼另辟蹊径,对黑白胶片做了小小的处理,就达到了惊艳的效果。

  他是怎么做到的?由于不同颜色的光具有不同的波长,胶片记住光的波长,就能把色彩留在上面。为了让胶片不失忆,李普曼在胶片背面涂了一层水银作为镜面。水银镜面有什么神奇的效果?举个例子,这是蓝光波长,蓝光穿过感光层后在水银上反射回来,入射光与水银反射的光发生“干涉现象”,在胶片中形成间隔为半个波长的干涉条纹。这些条纹留下了蓝光的特征,当用白光照射胶片时,它们就像一个筛子,将其他颜色的光线筛掉,只反射蓝色光线。胶片上的每一点都只反射那些记录的颜色,这样,一张彩色照片就华丽诞生了。

  1901年诺贝尔物理学奖 X射线——肉眼看不见的世界

  1901年,世界上第一枚诺贝尔物理学奖奖牌,授予了德国物理学家威廉·伦琴,奖励他发现了X射线。

  1895年11月8日,伦琴用黑纸包住放电管,准备进行阴极射线的研究。一个奇怪的现象却吸引了他的注意:在距离放电管一米处,镀有亚铂氰化钡晶体的荧光屏上出现了一道绿光。阴极射线的传输距离明明不超过数厘米,那这道绿光是什么?伦琴把这未知的射线叫做X射线。实验发现,X射线可以穿透几厘米的硬橡胶皮,15微米的铝板。利用X射线的特性,伦琴为夫人拍摄了世界上第一张X射线照片,照片中夫人的手骨和他们的结婚戒指都清晰可见。

  X射线和可见光都是电磁波,但它的波长仅为0.01到10纳米。X-CT能快速、准确地检查病情;X-刀能精确地消除肿瘤;X射线晶体衍射已经成为了解原子世界的利器;它还被用于金属探伤、测量金属的厚度等等。其实,每次出入站安检时,你的行李都在和它亲密接触呢。当然,X射线在造福人类的同时,也会给我们带来困扰。过量的X射线照射会引起白血病、癌症等疾病,所以在使用X射线时要做好防护。

  事实上,与光学研究有关的诺贝尔奖,远不止我们上面所列的这五项,与光学有关的科学技术,已经深刻地改变了我们的生活。

验证码: 点击我更换图片
最新评论 更多评论>>